Çözünür 3B Baskılı Elektronikler: E-Atığı Sonlandırmak

University of Maryland ve Georgia Institute of Technology mühendisleri, ilk çözünür 3B baskılı elektroniği yaratmak için iş birliği yaptı. Yeni süreç, geri dönüştürülebilirlik kavramını yeniden düşünerek üretimle birleştiriyor ve sorunsuz bir döngüsel ekonomi oluşturuyor. İşte çözünür 3B baskılı elektroniklerin sürdürülebilir bir cihaz neslini ve daha fazlasını nasıl ilham verebileceği.

E-Atık Büyük Bir Sorun

Dünya teknolojisiyle ilgili bir soruna sahip. En yeni ve güncel sürümler değil, artık kullanılmayan ve kırık öğeler çöp sahalarını doldurmaya devam ediyor. Bugünün elektroniklerinde birçok değerli parça bulunuyor, ancak yapım yöntemleri nedeniyle bu öğeleri geri dönüştürmek neredeyse imkânsız ya da çok kârsız. Sonuç olarak, bu cihazlar hızla çöp haline geliyor.

World Health Organization’a göre, Dünya Sağlık Örgütü, e-atık küresel kirliliğin büyük bir katkıcısıdır. Son bir rapor, bu yıl yaklaşık 65 milyon ton e-atığın atılacağını gösteriyor. Ne yazık ki bu, geçen yılın atık istatistiklerine göre 3 milyon tonluk bir artışı temsil ediyor. Bu istatistikler, e-atığın %22’sinden daha azının geri dönüştürüldüğü tehlikeli bir eğilimi ortaya koyuyor.

Bilgisayar Çipi Atığı ve Çevresel Etki

Atık edilen öğelerin tam olarak ne tür şeyler olduğunu derinlemesine incelediğinizde, bilgisayar çiplerinin en popüler ve çevreye en zararlı olanlar arasında olduğunu görebilirsiniz. Mevcut endüstri standardı bilgisayar çipleri için FR-4’ü kullanıyor. Bu malzeme, cam elyafı kumaşı ve epoksi reçine birleştirilerek oluşturuluyor. Ardından çipler, her iki tarafı bakır folyo ile lamine ediliyor.

E-Atık Zorluklarıyla Mücadele

Küresel olarak oluşturulan e-atık miktarını azaltmak için birçok girişim oldu. Bu yaklaşımlar, üretim sürecini yeniden düşünmeyi, çevre dostu malzeme alternatiflerini araştırmayı ve mevcut duruma göre daha ucuz seçenekler aramayı içeriyor.

Bununla birlikte, atığı azaltma yolculuğunda hâlâ önemli engeller var. Birincisi, geri dönüşüm yöntemleri çok pahalı ve özel makineler gerektiriyor, bu da sadece endüstriyel katılımcıların erişebileceği anlamına geliyor. Ayrıca, geri dönüşüm süreci atığın uzun mesafelere toplanıp taşınmasını gerektirebiliyor, bu da maliyetleri ve riskleri artırıyor.

Maliyetli Yöntemler

Ayrıca, mevcut yöntem, çiplerin geri dönüştürülebilir parçalarından değerli bileşenleri ayırmak için ısı kullanmaya dayanıyor. Bu yaklaşım, geri dönüşüm sürecinde toksik dumanlar ve diğer kirleticiler üretebilir, faydalarını dengeleyebilir. Aynı zamanda çok enerji yoğun olduğu için işletmesi oldukça pahalıdır.

PCB çip geri dönüşüm stratejileriyle ilgili bir diğer büyük sorun, bu cihazların ürün‑spesifik tasarımları karşılamak üzere üretilmiş olmasıdır. Bu nedenle, çeşitli şekillerde ve ayırmayı zorlaştıran malzemelerle birleştirilebilirler. En iyi FR‑4‑tabanlı PCB geri dönüşüm programları bile değerli bileşenlerin yalnızca kısmi geri kazanımını destekler.

Çözünür 3B Baskılı Elektronikler Çalışması

“DissolvPCB: Fully Recyclable 3D-Printed Electronics with Liquid Metal Conductors and PVA Substrates 1” adlı çalışma, UIST 2025’te sunuldu ve düşük maliyetli çekirdek bileşen geri kazanımını sağlayan yeni bir tasarım ve imalat yöntemi tanıttı. Yeni çip tasarımı, DissolvPCB, geleneksel FDM çipleriyle eşdeğer performans sunan ilk tamamen geri dönüştürülebilir PCB’dir.

Kaynak – Arxiv

DissolvPCB

Geliştirilmiş tasarım, imalat ve geri dönüşüm iş akışı, PVA tabanlı FDM 3B baskıyı EGaIn sıvı metal devreleriyle birleştirerek yeniden kullanılabilir bir platformdan benzer performans sağlıyor. Etkileyici bir şekilde, ekip yeni çipi oluşturmak için rafadan satılan FDM 3B yazıcıları kullandı.

PCBA Kompoziti

Sürecin ilk adımlarından biri, stabil 3B‑baskı yapılabilir devre kartları oluşturabilecek daha iyi bir malzeme bulmaktı. Uzun araştırma sonrası ekip, temel malzeme olarak suyla çözünebilen bir polivinil alkol (PVA) dielektriği entegre eden yeni bir PCB kompoziti seçti.

Özellikle, polivinil alkol (PVA) suyla çözünebilir ve suya daldırıldıktan 24 saat içinde otomatik olarak parçalanmaya başlar. Bu özellikler, mühendislerin hedefleri için malzemeyi ideal kıldı. Ayrıca, üretimi pahalı değildir ve kolayca temin edilebilir.

Çözünür 3B Baskılı Elektronik Bağlantıları

Bağlantı için ekip, EGaIn (eutectic gallium–indium) adlı özel bir filament kullandı. Bu malzeme, doğrudan bir 3B yazıcıdan uygulanabilen şekillendirilebilir bir sıvı metaldir. Bakır gibi iletkendir ve neredeyse her şekle uyacak şekilde uygulanabilir, bu da mikroçipler için idealdir.

Elektronik Bileşenler

Ayrıca, elektrik bileşenleri 3B baskı işleminden sonra çipe manuel olarak eklendi. Bundan sonra ekip, nemi dışarıda tutmak için tasarlanmış bir polimer yapıştırıcı mühür uyguladı. Uygulandıktan sonra, yapıştırıcı tabakası ve çip 60°C’de bir saat ısıtılarak işlem tamamlandı.

Mikroçipin Çözülmesi

DissolvPCB adını hakkıyla taşıyor. Sadece 24‑36 saat suya daldırılarak tamamen yeniden işlenebilir. Daha da etkileyici olanı, PCB alt tabakasının toplanıp yeni çiplerde baskı filamentı olarak yeniden kullanılabilmesi. Ayrıca, EGaIn’den yapılan bağlantı, küçük metal damlacıklara ayrılır ve manuel yerleştirilen bileşenlerle birlikte toplanıp yeniden kullanılabilir.

Çözünür 3B Baskılı Elektroniklerin Tasarımı

Yeni çiplerini tasarlamak için ekip özel bir CAD yükseltmesi yapmaya karar verdi. Açık kaynaklı FreeCAD eklentisi, mühendislerin geleneksel devre şemalarını otomatik olarak 3B baskıya dönüştürmelerini kolaylaştırıyor. Bu yaklaşım, yeni kullanıcı benimsemesini azaltacak ve mühendislerin üç boyutlu devre izleri oluşturmasını kolaylaştırarak kullanım senaryolarını önemli ölçüde genişletecek.

Çözünür 3B Baskılı Elektronik Testi

Test aşamasının bir parçası olarak ekip birkaç cihaz oluşturdu. Bu cihazlar arasında bir Bluetooth hoparlör, bir fidget oyuncağı ve bir kavrama eli bulunuyordu. Özellikle Bluetooth hoparlör çift taraflı PCB’ye sahipti ve fidget oyuncağı 3B devreleri kullandı. Ekip bu cihazları geleneksel çip kullanan versiyonlarla inşa edip test etti.

Karşılaştırmalar, işlevsellik ve performans testleriyle başladı. Ardından çip tasarımları karşılaştırıldı. Bu adım, 3B‑baskılı iz boyutları, minimum yalıtım mesafeleri, iletkenlik, akım kapasitesi ve diğer kritik performans metrikleri gibi ana detayların yakalanmasını içeriyordu. Ayrıca cihazın ısı ve nem limitleri de test edildi.

Çözünür 3B Baskılı Elektronik Test Sonuçları

Test sonuçları, yeni çip tasarımının öncekilere kıyasla benzer performans sunduğunu ortaya koydu. Benzer yetenekler sunuyor ve geleneksel çiplerin sorunsuz bir şekilde yerini alabilir. Bu keşif, gelecekteki uygulamalara kapı açıyor.

Geri dönüştürülebilirlik açısından, yeni çip tasarımı önceki seçenekleri geride bıraktı. Ekip, uçtan uca yaklaşımlarının basit su daldırma ile kolay demontaj ve bileşen geri kazanımını sağladığını belirtti. Bu yöntemin yerel olarak yapılabileceğini, uzmanlık gerektirmediğini ve diğer geri dönüşüm seçeneklerine göre çok daha yüksek bir geri kazanım verimi sağladığını belgelediler.

Özellikle ekip, PVA için %99.4 ve sıvı metaller için %98.6 geri kazanım oranları kaydetti. Bu yüzdeler, önceki tüm geri dönüşüm ve geri kazanım yöntemlerinin performansını büyük ölçüde aşıyor. Ayrıca, geri kazanılan tüm elektrik bileşenlerinin fonksiyonel kaldığını not ettiler.

Kaydırarak kaydır →

Çözünür 3B Baskılı Elektroniklerin Faydaları

Çözünür 3B baskılı elektroniklerden elde edilebilecek birçok fayda var. Açık fayda, sürecin dünyayı boğan artan e‑atık miktarını azaltmasıdır. Bu basit eklemeli imalat süreci, çekirdeğinde geri dönüşümü barındırarak döngüsel bir ekonomi yaratıyor ve atığı azaltıyor.

Geniş Ölçekte Mevcut

Bu çalışmanın bir diğer büyük faydası, yaygın olarak temin edilebilen malzemeler ve süreçlere dayanmasıdır. Tüm malzemeler ve hatta yazıcı, herkes tarafından yerel mağazalardan ya da çevrimiçi olarak satın alınabilir. Rafadan satılan, modifiye edilmemiş yazıcı çok pahalı değildir ve gerekirse özel görevlere uyarlanabilir.

Esneklik

DissolvPCB, yeni bir esneklik seviyesi açıyor. Birincisi, CAD yükseltmesi mühendislerin delikli (THT) ve yüzeye monte (SMD) çip tasarımlarını kolayca oluşturmasını sağlıyor. Ayrıca tek‑ veya çift‑yönlü montajlar yapabilirler, bu da bu çiplerin gelecekte neredeyse tüm elektroniklerde yer bulmasını mümkün kılıyor.

Ölçeklenebilir

Mühendislerin çalışmalarından çıkarılabilecek bir diğer büyük artı, sürecin ölçeklenebilirliği. Geri dönüşüm süreci özel makineler, ısı ya da kimyasallar gerektirmediği için endüstriyel uygulamalara ölçeklendirmek çok kolaydır. Bu nedenle, bu stratejinin atık önleme konusunda en iyi seçenek olabileceği görülüyor.

Gerçek Dünya Uygulamaları ve Çözünür Elektronikler İçin Zaman Çizelgesi

Çözünür elektronikler için birçok gerçek dünya uygulaması var. Birincisi, prototipleme ve araştırma amaçları için ideal olurlar. Ar‑G‑E’de çok fazla atık üretilir. Bu çip tasarımı, atığı ortadan kaldırdığı ve tasarım ve uygulamalarda tam esneklik sağladığı için deneyler için idealdir.

Çalışan 3B Baskılı Elektronikler

Bu imalat yöntemi, diğer baskı yöntemleriyle birleştirilerek çalışan elektronikler oluşturabilir. Programlanabilir mekanik davranışlar içeren baskı tasarımlarıyla eşleştirildiğinde, bu strateji bilgisayar çiplerinden tek kullanımlık sensörlere kadar her şey için karmaşık baskılar yapmayı mümkün kılar.

Tıbbi Uygulamalar

Mühendisler, nemle önceden temasın önlenmesi için güvenilir bir yol bulabilirlerse, bu çipler tıbbi uygulamalar için ideal olabilir. Kalp pilleri gibi bazı tıbbi cihazların yerleştirilmesi ve çıkarılması için invaziv prosedürler gerekir.

Gelecekte, tıp profesyonelleri bu cihazları artık ihtiyaç duyulmadığında suyla doldurulabilecek bir portla tasarlayabilir. Bu yaklaşım, cihazın çözülmesine ve kontaminasyon ile cerrahi prosedürlerin azalmasına yardımcı olabilir.

Tek Kullanımlık Elektronikler

Bir diğer büyük kullanım alanı tek seferlik elektronik dünyasıdır. Tek kullanımlık elektronikler, örneğin vape’ler ve diğer cihazlar, ömürleri düşünülerek üretilebilir. Çöp sahalarını dolduran bu cihazlar, yaşam döngülerinin bir parçası olarak kolayca geri dönüştürülebilir ve gelecekte gerçekten tek kullanımlık elektroniklerin kapısını açar.

Çözünür 3B Baskılı Elektronik Zaman Çizelgesi

Bu çiplerin önümüzdeki 5 yıl içinde elektroniklere girmesini bekleyebilirsiniz. Geri dönüştürülebilir çiplere güçlü bir talep var ve bu yaklaşım mühendislerin ihtiyaç duyduğu esneklik ve performansı sunuyor. Çalışmaları, sürdürülebilir üretim uygulamalarını ilham vermeye yardımcı olacak.

Çözünür 3B Baskılı Elektronik Araştırmacıları

University of Maryland, Georgia Institute of Technology ve diğer kurumların mühendisleri, çözünür 3B baskılı elektronik çalışmasını hayata geçirmek için birlikte çalıştı. Makale, ana katkıcılar olarak Huaishu Peng, Zeyu Yan, SuHwan Hong, Huaishu Peng, Tingyu Cheng ve Josiah Hester’ı listeliyor.

Proje, Sandbox, Jagdeep Singh Family Makerspace, Terrapin Works ve BioWorkshop’tan maddi ve malzeme desteği aldı. Ayrıca National Science Foundation, Alfred P. Sloan Foundation, VMware ve Google’dan hibe aldılar.

Çözünür 3B Baskılı Elektronik Geleceği

DissolvPCB’nin geleceği, bazı kilit faktörlere bağlı. Birincisi, ekip yeni çip tasarımlarının güvenilirliğini ve dayanıklılığını daha fazla gösteren çalışmalar yapmalı. Ayrıca, çiplerin geri dönüşüm zamanına kadar nemle temasını önlemenin yollarını araştırmaya devam etmelidir.

Yarı İletken Üretimine Yatırım

Çip imalatı alanında birçok şirket var. Bu şirketler, elektronik ve teknoloji sektörlerinde hayati bir rol oynar, bugünün en gelişmiş cihazlarını güçlendirir. İşte çip imalatında yenilikçi bir güç olmaya devam eden bir şirket.

Advanced Micro Devices Inc.

Advanced Micro Devices Inc. (AMD ), 1 Mayıs 1969’da, yükselen bilgisayar pazarına güvenilir yarı iletkenler sağlamak amacıyla kuruldu. Şirket, Jerry Sanders ve Fairchild Semiconductor’dan çıkan bir mühendis ekibi tarafından kuruldu.

Advanced Micro Devices, 1970’de Am9300 kaydırma kaydırcısını piyasaya sürerek büyük bir çıkış yaptı. 1982’ye gelindiğinde, şirket Intel (INTC ) ve diğer liderlerle ortaklık anlaşmaları yapmıştı. Bu stratejik ortaklık, marka tanınırlığını ve pazar konumlandırmasını daha da güçlendirdi.